有信号发生器功能的简易示波器DIY套件V2.0

内容介绍

2020年暑期我们发起了一个基于LPC824微控制器的简易示波器的编程活动，引起了热烈的反响，先后有600多人参加，并有120多位网友参加了我们组织的为期10天的直播培训。尤其是Jack网友，在Github上开源了他的代码，包括移植的FFT功能，通过他的演示视频可以看出，在LPC824微控制器上能够非常流畅地实现简易示波器的数据采集、显示功能以及FFT频谱变换和分析的功能。

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基于LPC824的简易示波器套件构成框图

基于LPC824的简易示波器DIY套件的实物图

应广大网友的要求，我们在第一个版本的基础上做了简单的升级，并增加了一款基于ST的STM32G031的MCU核心模块，在模块上引出了6个通道的模拟输入，跟原来的LPC824模块管脚兼容，但STM32G031核心模块多了4个数字IO管脚（在本简易示波器的扩展底板上为附加的功能），其性能也有增强：

同样是Cortex M0+内核，其主频工作到了64MHz，比起LPC824提升了一倍；
12位的ADC可以工作在2Msps，具有更高的采样率，因此支持的模拟信号带宽也可以提升一倍；
STM32G031内部的定时器可以工作在128MHz，可以输出更高频率的PWM信号，通过DDS+PWM的方式能够产生的任意波形输出的频率也就可以更高。

除了新的核心处理模块性能增强之外，本套件的主板也做了简单的升级（参见下面的PCB图）：

板上的Mic电路在送到ADC之前增加了一级运放跟随器，使得其送往ADC端口的模拟信号直流偏移为STM32G031供电电压的中间位置，也就是3.3V/2 = 1.65V，且不再受MCU的ADC输入阻抗的影响，这样在ADC量化的时候音频电路的模拟信号范围可以围绕1.65V为中心上下摆动，量化后的数字量也可以围绕2047上下摆动；

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对外的连接改为4个管脚的插针，除了3.3V、GND（可以为外扩的电路板提供电压）、Ain外部模拟信号输入（0-3.3V）之外，又增加了一个Aux管脚，它通过一个RC网络连接到核心模块的一个输出管脚，可以通过PWM产生任意波形的信号，RC作为滤波器，从而在Aux上得到模拟信号波形，如果去掉C、R=0ohm，则Aux就可以作为通用的数字IO使用，当Aux作为输出测试信号使用的时候，用跳线帽连接Ain/Aux可以进行闭环测试、开发；
在对应于核心板模块的Pin6、7、8、9、10、11包围的区域没有敷铜和走线，这是为了支持有无线功能的BLE或未来的WiFi模块，如果将无线模块直接焊接在底板上，挖空的区域不会影响到这些无线模块的性能。

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MiniScope V2.0 PCB板图

基本功能特性：

核心控制器 - DIP16封装/邮票孔 + 4 GPIO的STM32G031控制器模块
- ST的STM32G031控制器
- Arm Cortex M0+内核
- 64MHz主频
- 内置1个12位/2Msps的ADC，在模块上有6个IO可以通过内部的开关切换共享该ADC，因此可以支持6通道模拟信号的输入
核心模块上使用CH340E实现USB-UART的连接，用以STM32G031的程序更新，具体的操作方法参见STM32G031控制器模块的项目页面；
扩展板上的输出显示 - 采用128*64分辨率/0.96英寸的OLED显示屏，通过SPI总线控制；
扩展板上的输入控制 - 有5个按键，用户可以参照底板的原理图自己定义每个按键的功能；
两路模拟量输入：
- 1路直接连接外部模拟信号，输入信号的幅度范围为0-3.3V，频率建议控制在200KHz（根据奈奎斯特定律可以支持到1MHz）以便取得好的波形显示效果，在采样率为2Msps的时候一个周期里可以有10个采样点，在屏幕上显示起来会比较好看；
- 1路通过板上的麦克风及音频放大/滤波电路将外部声音信号转变为电信号，经过10x的放大以及带通滤波器以后，进行直流偏移，送到ADC的输入端口，由于ADC的输入内阻在30K欧姆左右，在第一个版本的主板上，没有加入运放缓冲级，虽然通过电阻分压的方式将送到ADC输入端的模拟信号做了直流偏移，但由于ADC内阻的存在，输入端信号的直流偏移高于1.65V，采集以后可以通过内部的软件进行补偿，在本版本中添加了运放缓冲，送到ADC输入端的信号的直流偏移就会正好在3.3V/2的位置。当然由于分压电阻本身有5%的精度误差，所谓的3.3V/2也不是正好在正中间，这可以通过软件针对量化后的数据进行补偿；
一路Aux，功能可以根据需要灵活使用 - 缺省配置为模拟信号输出（板上有一个1Kohm的电阻和10nF的电容构成的低通滤波器，截止频率为1.6KHz），改变RC的值可以调节LPF的截止频率，去掉C，将R安装为0欧姆电阻，则为直接连接，可以用于数字信号输出或数字信号输入，用于信号产生、外部控制或状态监测。